Nevolatilní paměťové obvody určené pro zařízení IoT – vybrané obvody Adesto a Everspin

Rozvoj technologie IoT umožňuje vytvářet složité systémy využívající širokou škálu autonomních čidel. Stále častěji se však ukazuje, že vybavit tyto senzory vhodnými nevolatilními (=neztrácejí uloženou informaci po odpojení napájení) paměťovými obvody, které zajistí požadovanou kapacitu a co nejmenší spotřebu energie, je obtížné. Výrobci vycházejí vstříc takovým očekáváním a zařazují do své nabídky paměťové obvody určené speciálně pro aplikace IoT.

Panuje všeobecné přesvědčení, že evoluce elektronických zařízení (zvláště v oblasti spotřební elektroniky) musí nevyhnutelně směřovat směrem k aplikacím IoT. Je rovněž prognózován vzrůst obliby inteligentních systémů různého typu, jako jsou inteligentní domy, oblečení či doprava. Neoddělitelným prvkem každého z takových systémů je velký počet rozličných čidel, obvykle autonomních a s bateriovým napájením. S cílem prodloužit dobu provozu těchto zařízení bez nutnosti nabíjení akumulátoru kladou konstruktéři zvláštní důraz na maximální omezení spotřeby energie. Jedněmi z energeticky nejnáročnějšími součástkami jsou v mnoha případech obvody nevolatilních pamětí, využívané jak k uchovávání kódu programu, tak i dat. Zajímavé obvody tohoto typu určené speciálně pro aplikace IoT můžeme nalézt v nabídce firem Adesto a Everspin.

Nevolatilní paměti určené pro aplikace IoT v nabídce Adesto

V nabídce Adesto nalezneme tři rodiny nevolatilních polovodičových pamětí: DataFlash, Fusion a Mavriq. Základní vlastnosti obvodů a rozdíly mezi nimi jsou uvedeny v následující tabulce.

Řada DataFlash

Obvody z rodiny DataFlash jsou díky velké kapacitě (až 64 Mbit) univerzální nevolatilní paměti, které se mohou použít jak k přechovávání značného množství dat, tak i kódu programu. Jsou vybaveny dvěma buffery SRAM (každý o velikosti jedné stránky paměti Flash, neboli 256 B), což značně zrychluje operaci zápisu velkých dávek dat.  Mají oblíbené sériové rozhraní SPI, což umožňuje omezit počet spojů na plošném spoji a používaných vstupů mikroprocesoru.

Jednou z vad technologie Flash je nutnost mazání obsahu buňky před následujícím zápisem do ní. Díky vhodné architektuře umožňují obvody této řady provádět operaci mazání na úrovní stránky (256 B), bloku (2 KB), sektoru (256 KB) nebo celé oblasti paměti. Taková pružnost umožňuje efektivně spravovat dostupnou oblast paměti a prodloužit životnost obvodu.  

Obvody se vyznačují nízkou spotřebou energie, jak při provozu, tak v klidu. Mají čtyři pracovní režimy (aktivita, pohotovost, spánek, hluboký spánek). V režimu hlubokého spánku je spotřeba proudu asi 400 nA, při čtení s maximální rychlostí (85 MHz) se pak blíží 22 mA. Doba zápisu jedné stránky dat je 1,5 ms.

Řada Fusion

Obvody z rodiny Fusion mají většinu předností výše popsané řady DataFlash. Vyznačují se menší dostupnou pamětí (4 Mbit), mají však menší fyzické rozměry, nižší spotřebu energie, jsou rovněž několikanásobně levnější. Mohou pracovat v širším rozsahu napájecího napětí (od 1,65 V do 4,4 V). Čtení přes rozhraní SPI může probíhat s maximálním kmitočtem 104 MHz, spotřeba napájecího proudu pak je asi 10 mA. V režimu hlubokého spánku je velikost napájecího proudu asi 300 nA.

Řada Mavriq

Obvody řady Mavriq využívají paměťové buňky vyrobené technologií CBRAM (Conductive Bridging RAM). Jak uvádí výrobce, umožňuje tato technologie provádět operaci zápisu 20krát rychleji než u technologie Flash, a spotřebovávají přitom 10krát méně energie. Architektura obvodu umožňuje volný přístup (čtení/zápis) ke každé jednotlivé buňce paměti (doba zápisu jednoho bajtu je 30 µs). Spotřeba proudu napájení při čtení je 0,25 mA, při zápisu 1,0 mA, v pohotovostním režimu pak 1,0 µA.

Alternativa k polovodičovým pamětem – magnetorezistivní paměť firmy Everspin

Zajímavou alternativou k polovodičovým pamětem může být technologie MRAM (Magnetoresistive RAM – magnetorezistivní paměť) vyvíjená firmou Everspin. V nabídce tohoto výrobce můžeme najít obvody s kapacitou od 256 kbit do 16 Mbit.

Paměť MRAM nemá mnoho vad technologie Flash. Nevznikají zde takové problémy, jako je nutnost mazat paměťovou buňku před dalším zápisem nebo omezený počet cyklů zápis/čtení. Navíc jsou obvody MRAM velmi rychlé – jak doba jednoho cyklu zápisu, tak i čtení je 35 ns. Předností je také možnost uchovávání zapsaných informací po dlouhou dobu. Výrobce prohlašuje, že minimální doba trvanlivosti dat zapsaných do nosiče je 20 let.

Obvody, v závislosti na typu, jsou vybaveny následujícími komunikačními rozhraními: 8bitovým paralelním, 16bitovým paralelním, SPI a QuadSPI. U rozhraní SPI lze dosáhnout rychlosti přenosu až 40 MHz, v případě QuadSPI pak až 104 MHz. Všechny obvody se napájejí standardními napětím CMOS v rozmezí od 3 do 3,6 V (u některých typů od 2,7 do 3,6 V). Vyznačují se trochu větší spotřebou energie než výše popisované polovodičové paměti Adesto. Při čtení odebírají proud až 60 mA, při zápisu pak až 150 mA.

Výběr nejvhodnějšího obvodu

Zařízení IoT velmi často používají externí nevolatilní paměti. Příklady takového použití mohou být čidla napájená z baterií, která tvoří systémy inteligentních budov, nebo stále populárnější nositelná elektronika (wearable electronic). Výběr optimálního obvodu závisí v každém případě samozřejmě na mnoha činitelích a omezeních, jako je požadovaná kapacita paměti, rychlost práce, doba provozu baterií nebo rozpočet.  Každý ze zde představených obvodů může být však zajímavým návrhem pro určité použití. Při hledání levných a velmi energeticky úsporných výrobků stojí za to obrátit pozornost na řadu Mavriq. Je-li požadována větší kapacita paměti, může se ukázat být zajímavým řešením řada Fusion nebo DataFlash. Paměti MRAM mohou být tím pravým, pokud nám záleží na rychlém zápisu a dlouhé trvanlivosti zapsaných informací. Všechny popsané výrobky jsou dostupné v nabídce firmy Transfer Multisort Elektronik – distributora obvodů Adesto a Everspin. Více informací se nachází na stránkách TME – www.tme.eu.